KR20100087377A - 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법 - Google Patents

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야스지 다께쯔나
유야 다까노
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

냉각 핀(31)이 베이스부(2)로부터 일체식으로 연장하는 핀부(1)를 포함한다. 각각의 핀부(1)는 기단부가 직선형이고 말단부가 파형(주름형)이도록 부분적으로 비스듬히 형성된다. 각각의 핀부(1)는 각각의 핀부(1)가 기단부로부터 말단부에 가까워질수록 더욱 파형이 되도록 부분적으로 기울어진다. 냉각 핀(31)의 제조 공정에서, 우선 직선형 냉각 핀이 압출 성형에 의해서 제작된다(압출 단계). 이어서, 각각의 핀의 말단부는 압출 방향에 교차하는 방향으로 파형 형상으로 부분적으로 굽혀진다(굽힘 단계).

Description

냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법 {COOLING FIN AND MANUFACTURING METHOD OF THE COOLING FIN}
본 발명은 반도체 소자와 같은 발열체로부터의 열을 유체로 방열하는 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 높은 냉각 성능을 갖는 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법에 관한 것이다.
이전에는, 하이브리드 전기 자동차, 전기 자동차 등에 장착되는 고내압 및 대전류용 파워 모듈은, 반도체 소자의 작동 시의 큰 자체 발열량 때문에 높은 방열 성능을 갖는 냉각 구조를 포함하여야 한다. 도 19는 냉각기를 갖는 파워 모듈의 일 예를 도시한다. 모듈(90)은 발열체인 반도체 소자(10)와, 반도체 소자(10)를 지지하는 히트 스프레더(20)와, 히트 스프레더(20)와 접합되고 내부에 유로가 제공된 냉각기(130)를 포함한다.
냉각기(130)는 그 내부에 높은 열전도율을 갖는 재료(예컨대, 알루미늄)로 만들어진 냉각 핀(131)을 포함한다. 냉각 핀(131)은 잇달아 등간격으로 배치된 복수의 핀부(131a)를 갖는다. 핀부(131a)의 말단부는 덮개판(132)에 연결된다. 따라서, 냉각기(130) 내에는, 유로(135)가 각각의 핀부(131a)의 종방향을 따라 연장하도록 핀부(131a) 사이에 형성된다.
이러한 냉각기(130)에서는, 핀부(131a) 사이의 각 유로(135)를 통해 유동하는 냉매에 경계층이 발달한다. 이 경계층은 냉각 성능을 악화시킬 수 있는 요인이다. 따라서, 경계층을 파괴하기 위하여, 냉각 핀(131)을 구성하는 분할된 작은 블록이 엇갈린 형상으로 배열되는 오프셋 핀, 및 각각의 핀부가 파형 또는 주름진 형상인 주름 핀[예를 들어, 일본공개특허 평10(1998)-200278A호 공보]이 제안되어 있다.
그러나, 상술된 종래의 냉각 핀은 다음의 단점을 갖는다. 구체적으로, 오프셋 핀의 제조 과정에서, 도 20에 도시된 바와 같이, (A) 직선형 핀(91)이 압출기(50)에서 빗살 형상의 관통 구멍이 형성된 다이(51)로부터 압출된다. 그런 후, (B) 작은 블록(92)이 핀(91)을 절단 및 슬릿 가공함으로써 핀(91)으로부터 제조된다. 최종적으로, (C) 작은 블록(92)이 오프셋 패턴으로 배열되어, 블록화된 핀부(93)가 엇갈린 형상으로 조합된다.
상기 오프셋 핀 제조 과정은 원하는 오프셋 위치의 수에 대응하는 수의 블록을 필요로 한다. 한편, 오프셋 핀의 냉각 성능을 향상시키기 위하여, 오프셋 위치의 수를 증가시키는 것이 필수적으로 요구된다. 이는 핀 절단, 슬릿 가공 및 조립에 대한 비용 증가를 유발하기 쉽고, 따라서 복잡한 제조 과정 및 비용 상승을 초래한다.
한편, 주름진 핀은 사인 또는 유사한 곡선 형상으로 만들어지고, 이는 압출 성형에 의해서 제조될 수 없다. 따라서, 주름진 핀을 제조하기 위하여 주조가 일반적으로 이용된다. 그러나, 이 주조는 압출 성형과 비교하여 미세한 핀을 쉽게 제조할 수 없어, 각 핀의 표면적을 증가시키는 것을 어렵게 한다. 주조에 이용 가능한 소재는 압출 성형에 이용 가능한 소재에 비해 열전도율이 나쁘다. 전자의 소재의 냉각 성능이 충분하지 않다.
오프셋 핀 및 주름진 핀 둘다는 핀부가 베이스부로부터 균일하게 연장하도록 구성된다. 따라서, 냉매는 각 핀의 높이 방향의 중앙 부근에서는 고속으로 그리고 베이스부에 결합된 각 핀의 기단부 부근에서는 저속으로 유동한다. 따라서, 열교환율이 나쁘다. 또한, 발열체로부터 먼 각각의 핀부의 말단부 및 그 부근은, 발열체에 가까운 각 핀부의 기단부 및 그 부근과 비교해서 냉매와 작은 온도차를 갖는다. 따라서, 열교환율은 더욱 낮다.
본 발명은 종래의 냉각 핀에 의해 유발될 수 있는 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명은 향상된 냉각 효율을 갖는 저렴한 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 제1 태양은, 잇달아 배열된 복수의 핀부 및 상기 핀부의 일 단부에 일체로 연결되어 상기 핀부를 지지하는 베이스부를 포함하는 냉각 핀이며, 각각의 핀부는 상기 핀부를 통해 유동할 냉매의 유동 방향으로 상기 베이스부에 연결된 기단부가 직선형이고 말단부가 파형인 형상을 갖는, 냉각 핀을 제공한다.
본 발명의 냉각 핀에서, 핀부는 각각 베이스부로부터 연장하여 일체로 형성되고 잇달아 배열되어 그들 사이에서 유로를 형성한다. 각각의 핀부는 냉매 유동 방향(냉매의 입구에서부터 출구로의 방향)으로 파형 형상(주름진 형상)을 제공하도록 직선형 형상의 기단부 및 부분적으로 기울어진 말단부를 갖는다. 구체적으로, 각각의 핀부는 말단부측에서 높이 방향에 직각인 방향으로의 각각의 핀부의 단면이 기단부측에서 각각의 핀부의 단면보다 더욱 파형(wavier)이도록 연속적으로 변화한다. 각각의 핀부와 유체 사이의 저항은 각각의 핀의 일부분이 말단부에 가까워질수록 커지게 되어, 유체, 즉 냉매가 각각의 유로를 매끄럽게 유동하는 것이 허용되지 않는다.
다시 말해, 냉매는 기단부에 가까워질수록 각각의 유로를 통해 더욱 매끄럽게 유동하게 된다. 따라서, 기단부 부근에서의 냉매의 유량이 증가할 것이다. 즉, 냉매는 각각의 핀부의 높이 방향으로의 바닥인 기단부에 더 가까운 측에서 더 많은 양이 유동할 것이다. 따라서, 기단부에 가까운 각각의 핀부의 냉각 성능이 향상된다. 발열체는 효과적으로 방열하도록 핀부의 기단부 근처에 배치된다. 한편, 각각의 핀부의 말단부는 파형 형상(주름진 형상)으로 형성된다. 따라서, 유체, 즉 냉매는 핀부와 충돌하고 따라서 난류화되어, 냉매 유동에서 발생하기 쉬운 경계층의 파괴를 일으킨다. 따라서, 말단부의 부근에서도 높은 냉각 성능이 또한 달성될 수 있다. 이들 2가지 이유 때문에, 전체 냉각 핀의 냉각 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 냉각 핀에서, 바람직하게는, 각각의 핀부의 말단부는 식 (I)을 만족하도록 설계된 파형 형상을 갖고,
Figure pct00001
여기서, "f"는 핀부의 피치이고, "w"는 각각의 핀부의 두께이고, "a"는 각각의 핀부의 파형 형상의 높이이다.
구체적으로, 상기 식 (I)이 만족된 때, 냉매가 선형으로 유동하는 것을 허용하는 구역이 각각의 유로 내의 말단부측에서 감소된다. 따라서, 냉매는 사행하게 되어, 경계층의 두께를 신뢰성있게 감소시킨다. 따라서, 냉각 성능이 향상될 수 있다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은, 잇달아 배열된 복수의 핀부 및 상기 핀부의 일 단부에 일체로 연결되어 상기 핀부를 지지하는 베이스부를 포함하는 냉각 핀의 제조 방법이며, 상기 방법은, 상기 베이스부로부터 빗살 형상으로 각각 연장하는 복수의 핀부를 포함하는 직선 형상의 핀을 압출하는 압출 단계와, 각각의 직선 형상의 핀부의 말단부를 압출 방향에 교차하는 방향으로 부분적으로 굽혀서, 핀부들 사이를 통해 유동할 냉매의 유동 방향으로 파형 형상으로 상기 말단부를 성형하는 굽힘 단계를 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서는, 압출 단계에서, 직선형 냉각 핀이 압출 성형에 의해서 제작된다. 따라서, 핀부는 주조에 의해서 제작된 냉각 핀과 비교해서 더 미세한 형상으로 형성될 수 있다. 압출 성형은 높은 열전도율의 소재의 사용을 허용한다. 따라서, 냉각 성능이 높다. 또한, 제조 방법은 대량 생산에 적합하고 낮은 비용으로 냉각 핀을 제조한다.
굽힘 단계에서, 각각의 핀부의 말단부는 파형 형상(주름진 형상)으로 굽혀진다. 구체적으로, 오프셋 핀과 달리, 냉각 핀은 복수의 분할된 블록을 필요로 하지 않고 파형 형상으로 개별적으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명은 오프셋 핀과 비교하여 더 적은 수의 부품과 공정 단계를 갖는 더 간단한 제조 공정을 제공할 수 있다. 제조 방법에 의해 제조된 냉각 핀에 따르면, 핀부의 파형 각도(굽힘 각도) 및 파형 피치가 냉각 성능을 조절하도록 결정될 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 직선형 기단부 및 파형 말단부를 갖는 냉각 핀이 2개의 단계, 즉 압출 성형 단계 및 굽힘 단계에 의해 제조된다. 따라서, 높은 냉각 성능을 갖는 냉각 핀이 간단한 단계로 제조될 수 있다.
본 발명의 굽힘에서, 바람직하게는 굽힘 단계는 핀부들 사이의 간극에 지그를 배치하고 냉간 가공에 의해 지그로 핀부를 굽히는 것을 포함한다. 냉간 조건(실온에서)에서의 굽힘 기술은, 예를 들면, 각각의 핀부의 일측 및 타측에 지그를 엇갈린 패턴(staggered pattern)으로 배치하고, 적어도 일측에 위치된 지그에 의해 핀부에 하중을 가하는 것을 포함한다. 이는 직선형 형상을 갖는 기단부 및 파형 형상을 갖는 말단부를 갖는 핀부를 제조하는 것을 가능하게 한다. 냉간 가공 중 이러한 냉간 굽힘에서는, 기존 설비가 사용될 수 있다.
본 발명의 굽힘 단계는, 방금 압출된 핀부들 사이의 간극에 대응하는 위치에 지그를 배치하고, 열간 가공에 의해 지그로 상기 핀부를 굽히는 것을 포함한다. 열간 조건의 굽힘 기술에서, 예를 들면, 지그는 상기 핀부들 사이의 간극(슬릿)에 삽입가능한 빗살을 갖고, 상기 굽힘 단계는 압출 방향에 교차하는 방향으로 상기 지그를 이동시키는 것을 더 포함한다. 이 방법에 따르면, 전체 냉각 핀은 압출 직후이기 때문에 온도가 높고 따라서 핀부는 용이하게 가공될 수 있다. 따라서, 굽힘 작업에서 지그 상의 하중은 작다. 압출 작업에 의한 열이 이용되기 때문에, 열간 가공에서 각각의 핀부의 온도를 증가시키는 것이 불필요하다. 이는 제조 시간을 단축시키고 에너지의 효율적인 사용을 가능하게 한다.
도 1은 바람직한 실시예의 파워 모듈의 개략적인 구성을 도시하는 사시도이다.
도 2는 실시예의 냉각 핀의 개략적인 구성을 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 냉각 핀의 개략적인 구성을 도시하는 평면도이다.
도 4는 도 2의 점선의 원(X)에 의해 둘러싸인 냉각 핀의 일부분의 세부를 도시하는 부분 확대도이다.
도 5는 도 3의 A-A 선을 따라 취한 냉각 핀의 단면도이다.
도 6은 도 3의 B-B 선을 따라 취한 냉각 핀의 단면도이다.
도 7은 도 3의 C-C 선을 따라 취한 냉각 핀의 단면도이다.
도 8은 종래 기술의 냉각 핀의 유속 분포를 도시하는 개략도이다.
도 9는 실시예의 냉각 핀의 유속 분포를 도시하는 개략도이다.
도 10은 압출 성형 후의 핀의 형상(직선 형상)을 도시하는 도면이다.
도 11은 냉간 가공에 의한 핀 굽힘 가공의 개요를 도시하는 개략도이다.
도 12는 열간 가공에 의한 핀 굽힘 가공(직선형 핀의 압출)의 개요를 도시하는 개략도이다.
도 13은 열간 가공에서 핀 굽힘 가공(직선형 핀의 굽힘)의 개요를 도시하는 다른 개략도이다.
도 14는 열간 가공에서 사용되는 지그의 개략적인 구성을 도시하는 사시도이다.
도 15는 냉각 핀의 파형 부분의 각각의 치수를 도시하는 도면이다.
도 16은 각각의 냉각 핀의 파형 피치, 파형 각도 및 압력 손실 사이의 상관을 나타내는 그래프이다.
도 17은 각각의 냉각 핀의 파형 피치, 파형 각도 및 열전달율 사이의 상관을 나타내는 그래프이다.
도 18은 냉각기의 변형예를 도시하는 사시도이다.
도 19는 종래 기술의 파워 모듈의 개략적인 구성을 도시하는 사시도이다.
도 20은 오프셋 핀의 제조 공정의 개요를 도시하는 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부 도면을 참조하여 제공된다. 이 실시예에서, 본 발명은 차량 장착용 지능형 파워 모듈의 냉각기에 내장되는 냉각 핀에 적용된다.
<파워 모듈의 구조>
이 실시예의 파워 모듈(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 발열체인 반도체 소자(10)와, 반도체 소자(10)가 배치된 히트 스프레더(20)와, 냉매용 유로가 내부에 제공된 냉각기(30)를 포함한다. 파워 모듈(100)에서, 반도체 소자(10)로부터의 열이 히트 스프레더(20)를 통해서 냉각기(30)로 방열될 것이다.
반도체 소자(10)는 인버터 회로를 구성하는 IGBT와 같은 소자이다. 또한, 차량 장착용 파워 모듈에는 더욱 많은 반도체 소자가 설치되지만 설명을 쉽게 하기 위하여 그 일부만이 개략적으로 예시됨을 알아야 한다.
히트 스프레더(20)는 높은 열전도율의 재료로 만들어져 반도체 소자(10)로부터의 열을 방열한다. 히트 스프레더(20)는 냉각기(30)에 일체로 납땜된다. 냉각기(30)로의 히트 스프레더(20)의 고정 방법은 납땜에 한정되지 않는다. 대안으로, 히트 스프레더(20)는 볼트로 냉각기(30)에 고정될 수도 있다.
냉각기(30)는 냉각 핀(31)과, 냉각 핀(31)의 말단부와 접합된 덮개판(32)을 포함한다. 냉각 핀(31)은 알루미늄 합금과 같은 높은 열전도율을 갖고 경량인 재료로 만들어진다. 냉각기(30)에서, 냉매용 유로(35)는 냉각 핀(31) 및 덮개판(32)에 의해서 한정된다. 냉매는 액체 또는 기체 중에서 선택될 수 있다. 이 실시예에서는, 냉각수가 냉매로서 유로(35)에 공급된다.
<냉각 핀의 구조>
이하에서 냉각 핀(31)의 세부에 대해 설명한다. 도 2는 냉각 핀(31)의 사시도이고 도 3은 냉각 핀(31)의 평면도이다.
냉각 핀(31)은 일렬로 등간격으로 배열된 핀부(1) 및 핀부(1)를 지지하도록 핀부(1)와 일체인 베이스부(2)로 구성된다. 각각의 핀부(1)는 베이스부(2)에 연결된 기단부가 냉매의 유동 방향[냉매의 입구로부터 출구의 방향(즉, 도 1에서 IN에서 OUT으로)]으로 직선형이고 말단부가 더욱 파형(wavier)인 형상을 갖는다.
구체적으로, 이 실시예의 냉각 핀(31)의 각각의 핀부(1)는 베이스부(2)에 직각인 제1 영역(11), 베이스부(2)에 대하여 미리 정해진 각도로 각각 기울어진 제2 영역(12) 및 제1 영역(11)과 제2 영역(12)을 연결하는 제3 영역(13)으로 구성된다. 한 세트의 제1 내지 제3 영역(11 내지 13)이 도 4[도 2에서 점선 원(X)에 의해 둘러싸인 부분의 확대도]에 도시된다. 제1 영역(11)은 하부 변이 상부 변보다 넓도록 기단부에 하부 변 및 말단부에 상부 변을 갖는 거의 사다리꼴 형상이다. 제2 영역(12)은 거의 직사각형 형상이다. 제3 영역(13)은 제1 영역(11)의 상부 변과 제2 영역(12)의 상부 변 사이를 연결하는 능선에 대응하는 변을 갖는 거의 삼각형 형상이다.
각각의 핀부(1)에서, 제1 영역(11)과 제2 영역(12)은 베이스부(2)의 동일한 직선으로부터 핀부(1)을 형성하도록 연장한다. 다시 말해, 핀부(1)의 형상은 제1 영역(11)의 하부 변이 제2 영역(12)의 하부 변에 연결되기 때문에 기단부에서 직선형이다. 제1 영역(11)은 도 5(도 3의 A-A 선에 따른 단면도)에 도시된 바와 같이 베이스부(2)에 대해 수직으로 연장한다. 제2 영역(12)은 도 6(도 3의 B-B 선에 따른 단면도)에 도시된 바와 같이, 베이스부(2)에 대하여 미리 정해진 각도로 기울어져 있다.
한편, 각각의 핀부(1)의 말단부에서, 제1 영역(11)의 상부 변과 제2 영역(12)의 상부 변이 제3 영역(13)을 통해서 서로 연결되어, 각각의 핀부(1)의 말단부의 형상은 냉매 유동 방향으로 파형(주름형)이다. 제3 영역(13)은, 핀부(1)의 기단부에 위치된 정점을 갖고 말단부에 가까워짐에 따라 넓어지는 폭을 갖는 대략 삼각형 형상을 갖는다. 구체적으로, 도 3의 제1 영역(11)과 제2 영역(12) 사이의 부분이, 도 7(도 3의 C-C 선에 따른 단면도)에 도시된 바와 같이, 제1 영역(11)의 일부로서 수직 상방으로 연장하는 기단부측 부분 및 제3 영역(13)으로서 약간 기울어진 말단부측 부분을 포함한다.
이 실시예의 냉각 핀(31)은 다음의 2가지 이유에서 종래의 냉각 핀과 비교하여 냉각 성능을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 도 8은 종래 형상의 직선형 핀의 유속 분포를 도시한다. 구체적으로, 종래 구성에서는, 냉매의 유속은 각각의 핀부(1)의 높이 방향(도 8에서 수직 방향)에서 각각의 유로의 중앙 또는 그 부근의 구역(도 8에서 한가운데의 파선 내부)에서 피크에 도달하고 기단부 또는 그 부근의 구역에서 느리다. 따라서, 각각의 핀부(1)의 기단부 부근에서 냉각 성능이 나쁘다. 마찬가지로, 냉매 유속은 각각의 핀부(1)의 말단부 부근에서도 느리다. 말단부측은 발열체인 반도체 소자(10)로부터 멀고 따라서 냉매와 작은 온도차를 갖는다. 따라서, 냉각 성능도 또한 기단부 부근에서 나쁘다.
한편, 도 9는 직선형 기단부 및 파형 말단부를 갖는, 본 실시예의 냉각 핀의 유속 분포를 도시한다. 이 실시예에서, 높이 방향에 직각인 방향에서의 각각의 핀부(1)의 단면은 기단부보다 말단부에 더 가까운 측에서 더욱 파형인 형상을 갖는다. 따라서, 각 핀부(1)와 냉매 사이의 저항이 기단부측보다 말단 단부측에서 더 커서, 냉매가 유동하기 어렵게 된다. 따라서, 냉매 유속의 피크(도 9의 한가운데 파선 내부)가 직선형 핀의 것에 비해 기단부에 가까워지게 되어, 냉매의 유량이 기단부 부근에서 증가한다(제1 이유). 이는 각각의 핀부(1)의 기단부 부근에서 냉각 성능을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
각각의 핀(1)은 말단부 부근에서 파형 형상(주름진 형상)이다. 냉매가 이러한 핀부(1)와 충돌할 때, 냉매의 유동은 난류화 되게 된다. 따라서 경계층을 파괴하는 것이 기대된다(제2 이유). 결과적으로, 높은 냉각 성능이 기단부 부근에서도 얻어질 수 있다.
<냉각 핀의 제조 방법>
이하에서, 냉각 핀(31)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 냉각 핀(31)의 제조 공정은 압출 성형에 의해 직선형 핀을 제작하는 압출 단계 및 각각의 핀부의 일부분을 파형 형상으로 굽히는 굽힘 단계를 포함한다.
냉각 핀(31)의 제조 공정에서, 우선, 압출 단계에서 저렴하고 대량 생산에 적합한 압출 성형에 의해서 핀이 제작된다. 이 때, 핀(310)이 도 10에 도시된 바와 같이 복수의 핀부(1)를 갖는 직선형 핀으로 성형된다. 이는 파형 말단부 및 직선형 기단부를 포함하는 최종적인 핀 형상이 너무 복잡해서 압출 성형만으로는 제작될 수 없기 때문이다. 따라서, 우선 직선형 핀(310)이 먼저 제작된다.
이어서, 굽힘 단계에서는, 각각의 핀부(1)의 말단부가 파형이 되도록 성형된다. 이 굽힘 단계에서는, 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이, 예를 들면 전용 지그(6)가 각각의 핀부(1)의 양측에 위치된다. 이 지그(6)는 각각의 핀부(1)의 일측에 배치된 지지 지그(61, 62) 및 다른 측에 배치된 하중 지그(63)로 구성된다. 지그(61 내지 63)는 지지 지그(61), 하중 지그(63) 및 지지 지그(62)가 핀부(1)를 따라 냉매 유동 방향으로 상류부터 순서대로 위치설정되도록 엇갈린 패턴으로 배열된다.
그런 후, 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이, 하중 지그(63)는 핀부(1) 상에 하중을 가한다. 따라서, 핀부(1)는 도 2에 도시된 바와 같은 파형 형상으로 압출 방향에 교차하는 방향으로 부분적으로 소성 변형된다. 구체적으로, 하중 지그(63)와 접촉하는 기울어진 면이 핀부(1)의 제2 영역(12)을 형성하고 지지 지그(61, 62)와 접촉하는 면이 핀부(1)의 제1 영역(11)을 형성한다. 인접하는 지그들 사이에 위치된 각각의 면이 핀부(1)의 제3 영역(13)을 형성한다.
굽힘 단계는 상기 냉간(실온에서의) 가공 뿐만 아니라 압출 단계 직후에 수행되는 열간 가공일 수도 있다. 열간 가공에서는, 냉간 가공에서와 같이, 압출 단계가 수행되어 보통의 압출 성형에 의해서 직선형 핀을 제작한다. 구체적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 직선형 핀(310)을 제작하기 위한 다이(51)가 성형기(50)에 부착된다. 빌렛(52)이 성형기(50)에 넣어지고 가압 부재(53)가 성형기(50)의 내부를 가압한다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 직선형 핀부(1)를 갖는 직선형 핀(310)이 다이(51)를 통해 압출된다.
직선형 핀(310)이 압출된 직후, 도 13에 도시된 바와 같이, 핀부(1)를 가로질러 전용 지그(7)가 위치된다. 지그(7)는, 도 14에 도시한 바와 같이, 복수의 빗살(71)을 갖는 빗 형상을 갖는다. 지그(7)의 각각의 빗살(71)이 핀부(1)들 사이에 삽입된다. 이 상태에서, 냉각 핀(31)의 파형 형상에 맞추어, 지그(7)는 핀부(1)의 높이 방향으로 위에서 본 평면에서 압출 방향에 교차하는 방향으로 주기적으로 움직인다. 따라서, 핀부(1)는 열간 조건에서 도 2에 도시된 바와 같은 파형 또는 주름진 형상으로 변형된다.
상기 열간 가공에서, 압출 단계 직후이기 때문에 핀부(1)의 온도가 높다(약 600℃). 따라서, 핀부(1)는 용이하게 굽혀질 수 있고 따라서 지그(7)는 가공 중에 작은 하중 만을 받는다. 따라서, 지그(7)는 양호한 내구성을 가질 수 있다. 또한, 압출 단계 직후이기 때문에, 압출 단계로부터의 열이 이용될 수 있다. 따라서, 굽힘 공정을 위해 냉각 핀(31)의 온도를 증가시키는 것이 필요하지 않다. 이는 제조 시간을 단축시키고 에너지를 효율적으로 이용하는 것을 가능하게 한다. 한편, 상기 냉간 가공은 기존 설비에 의해서 취급될 수 있어, 초기 비용이 낮아진다.
<냉각 핀의 소재>
압출 성형에 사용되는 소재는 알루미늄 합금 중 하나이며, 특히 높은 열전도율을 갖는 알루미늄 합금이다. 표 1은 소재들의 열전도율의 비교를 나타낸다. 표 1에서, 소재들은 일본 공업 표준(JIS)에 기초하여 표기된다.
Figure pct00002
주조는 냉각 핀(31)을 성형하는 방법 중 하나이다. 그러나, 주조에 사용되는 소재(예컨대, ADC12)도 또한 알루미늄 합금이지만 압출 성형에 사용되는 소재(예컨대, A6063)보다 낮은 열전도율을 갖는다. 이 실시예에서 냉각 핀(31)은 압출 성형에 의해서 만들어지고 따라서 주조에 의해서 만들어진 것에 비해 더 높은 냉각 성능을 가질 수 있다.
<냉각 핀의 치수>
상술된 바와 같이, 냉각 핀(31)의 형상은 냉각 성능 및 성형성에 큰 영향력을 가지기 쉽다. 따라서, 미리 정해진 치수 요건을 만족하는 것이 중요하다. 도 15는 말단부측에서 냉각 핀(31)의 파형 형상(주름진 형상)의 파라미터를 나타낸다. 각각의 파라미터는 다음과 같다.
θ : 파형 형상의 굽힘 각도(이하, 파형 각도)
P : 파형 형상의 피치(이하, 파형 피치)
f : 핀부의 피치(핀 피치)
w : 핀 폭(두께)
a : 핀 굽힘량
c : 직선부의 길이
핀 굽힘량 "a"는 각각의 핀부(1)의 말단부에서 제1 영역(11)의 하나의 면(기준 면)과 기준 면에 연결된 제2 영역(12)의 면 사이의 기준 면에 직각인 방향으로의 위치의 차이[각각의 핀부(1)의 파형 형상의 높이]와 동등하다.
지그(6)에 의해 핀부(1)를 주름지게 하는 냉간 가공 시에, 보통 지지 지그(61, 62)는 하중 지그(63)와 폭이 동일하다. 따라서, 핀부(1)의 각각의 제1 영역(11)의 직선부의 길이가 각각의 제2 영역(12)의 직선부의 길이와 동등하다고 가정하고 다음의 설명이 주어진다.
상기 파라미터가 만족하여야 할 조건이 수학식 1 내지 4에 의해 표현된다. 파형 피치(P)는 핀부(1)의 직선부의 길이(c), 핀부(1)의 굽힘량(a) 및 파형 각도(θ)를 사용하는 다음의 수학식 1에 의해서 표현될 수 있다.
Figure pct00003
수학식 1에서 파형 각도(θ)가 커짐에 따라, 냉매 유동의 난류가 더욱 유발되어, 냉각 성능을 향상시킨다. 그러나, 파형 각도(θ)가 지나치게 크면, 핀부(1)는 굽힘 단계에서 파단되기 쉽다. 따라서, 파단 한계로서 간주된 설계 각도를 α라고 하면, 파형 각도(θ)는 다음 수학식 2를 만족하여야 한다.
Figure pct00004
지그(6)[또는 지그(7), 이하 생략]는 굽힘 단계에서 직선부와 이의 길이(c)에 걸쳐서 접촉되어 위치된다.
따라서, 길이(c)가 짧아지기를 원한다면, 핀부(1)들 사이에 삽입되는 지그(6)는 폭이 좁아야만 한다. 지그(6)의 폭이 좁을수록, 지그(6)의 강도는 낮아지기 쉽고, 이는 지그(6)의 파손을 유발하기 쉽다. 지그(6)의 직선부의 파단 한계로서 간주된 설계 길이를 β라고 하면, 직선부의 길이(c)는 다음 수학식 3을 만족하여야 한다.
Figure pct00005
각각의 핀부(1)의 굽힘량(a)이 작다면, 경계층을 파괴하는 것을 기대할 수 없다. 경계층을 파괴하고 냉각 성능을 향상시키기 위해서는, 각각의 유로(35)에서 냉매가 선형으로 유동하는 구역을 감소시킴으로써 각각의 유로(35)를 통해 냉매가 사행하게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 수학식 4을 만족하는 것이 바람직하다.
Figure pct00006
냉각 핀(31)의 형상은 상기 수학식 1 내지 4를 만족하는 범위 내에서 파형 피치(P) 및 파형 각도(θ)를 변화시킴으로써 원하는 냉각 성능을 만족하도록 결정된다. 다시 말해, 치수는 핀부(1) 및 굽힘 지그(6)를 파단시키지 않은 범위에서 냉각 성능을 가장 높게 달성하도록 선택된다.
냉각 핀(31)의 파형 피치(P) 및 파형 각도(θ)와, 냉각 성능과의 상관에 대하여 설명한다. 도 16은 P 및 θ와 압력 손실과의 상관을 도시한다. 도 17은 P 및 θ와 열전달율과의 상관을 도시한다. 양 도면에서는, 구체적인 수치는 기재되지 않고 냉각 성능(압력 손실 및 열전달율)은 임의의 파형 각도(θ)를 1이라 가정했을 때 1로서 표현된다. 도 16 및 도 17에서, 흰색 원을 사용한 플롯은 냉각 핀(31) 사이에서 직선부의 길이(c)는 동일하지만 파형 각도(θ) 및 파형 피치(P)가 상이한 때의 냉각 성능을 나타낸다. 검은 원을 사용한 플롯은 냉각 핀(31) 사이에서 파형 피치(P)는 동일하지만 파형 각도(θ) 및 길이(c)가 상이한 때의 냉각 성능을 나타낸다.
양 도면에서, 파형 각도(θ)가 커지고 파형 피치(P)가 좁아짐에 따라, 압력 손실 또는 열전달율이 증가된다는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 냉각 성능이 굽혀진 핀부(1)의 파형 각도(θ) 및 파형 피치(P)에 의해 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상 상세하게 설명된 바와 같이, 본 실시예의 냉각 핀(31)은 기단부가 직선형이고 말단부가 파형(주름형)이도록 각각의 핀부(1)가 부분적으로 비스듬히 형성된다. 이러한 구성은 냉매가 말단부 부근에서보다 기단부 부근에서 더욱 매끄럽게 유동하는 것을 허용함으로써, 기단부 부근을 따라 유동하는 냉매의 유량을 증가시킨다. 이는 반도체 소자(10)에 가깝게 위치된 각각의 핀부(1)의 기단부 부근에서의 냉각 성능을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 한편, 반도체 소자(10)로부터 멀리 위치된 각각의 핀부(1)의 말단부는 파형 형상이다. 따라서, 냉매가 핀부(1)에 충돌할 때 난류화되어, 경계층의 파괴를 일으킨다. 따라서, 높은 냉각 성능이 각각의 핀부(1)의 말단부 부근에서도 얻어질 수 있다.
본 실시예의 냉각 핀(31)의 제조 공정에서는, 우선, 직선형 형상의 냉각 핀(310)이 압출 성형에 의해 제작된다(압출 단계). 따라서, 핀부(1)는 주조에 의해 제작된 냉각 핀에 비해 더 작거나 더 미세한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 높은 열전도율의 소재가 사용될 수 있고 따라서 높은 냉각 성능이 달성될 수 있다. 냉각 핀(310)은 대량 생산에 적합하고 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
이어서, 각각의 핀부(1)의 말단부는 파형 형상으로 압출 방향에 교차하는 방향으로 부분적으로 굽혀진다(굽힘 단계). 이 실시예에서, 오프셋 핀과 달리, 냉각 핀은, 분할된 블록을 필요로 하지 않고, 파형 형상으로 개별적으로 형성될 수 있다. 오프셋 핀과 비교할 때, 본 실시예는 적은 수의 부품 및 공정 단계를 갖는 더 간단한 제조 공정을 제공할 수 있다. 결과적으로, 감소된 비용 및 향상된 냉각 효율을 갖는 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법이 달성될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예(들)에 한정되지 않으며, 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 구체적인 형상으로 실시될 수도 있다. 예를 들어, 상기 실시예에서, 냉매 유로(35)는 냉각 핀(31)에 덮개판(32)을 접합함으로써 형성된다. 변형예는 핀부들 사이의 간극(슬릿)이 케이싱(33)의 내측 면에 의해 폐쇄되어 유로를 형성하는 냉각 핀(31)을 수용하는 케이싱(33)을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 감소된 비용 및 향상된 냉각 효율을 갖는 냉각 핀 및 냉각 핀의 제조 방법이 달성될 수 있다.

Claims (7)

  1. 잇달아 배열된 복수의 핀부 및 상기 핀부의 일 단부에 일체로 연결되어 상기 핀부를 지지하는 베이스부를 포함하는 냉각 핀이며,
    각각의 핀부는, 상기 핀부를 통해 유동할 냉매의 유동 방향으로 상기 베이스부에 연결된 기단부가 직선형이고 말단부가 파형인 형상을 갖는, 냉각 핀.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 핀부의 말단부는 식 (I)을 만족하도록 설계된 파형 형상을 갖고,
    Figure pct00007

    여기서, "f"는 핀부의 피치이고, "w"는 각각의 핀부의 두께이고, "a"는 각각의 핀부의 파형 형상의 높이인, 냉각 핀.
  3. 잇달아 배열된 복수의 핀부 및 상기 핀부의 일 단부에 일체로 연결되어 상기 핀부를 지지하는 베이스부를 포함하는 냉각 핀의 제조 방법이며,
    상기 방법은,
    상기 베이스부로부터 빗살 형상으로 각각 연장하는 복수의 핀부를 포함하는 직선 형상의 핀을 압출하는 압출 단계와,
    각각의 직선 형상의 핀부의 말단부를 압출 방향에 교차하는 방향으로 부분적으로 굽혀서, 핀부들 사이를 통해 유동할 냉매의 유동 방향으로 파형 형상으로 상기 말단부를 성형하는 굽힘 단계를 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 굽힘 단계는 핀부들 사이의 간극에 지그를 배치하고 냉간 가공에 의해 지그로 핀부를 굽히는 것을 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 굽힘 단계는 각각의 핀부의 일측 및 타측에 지그를 엇갈린 패턴으로 배치하고, 적어도 상기 일측에 배치된 지그에 의해 핀부에 하중을 가하는 것을 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 굽힘 단계는 방금 압출된 핀부들 사이의 간극에 대응하는 위치에 지그를 배치하고, 열간 가공에 의해 지그로 상기 핀부를 굽히는 것을 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지그는 상기 핀부들 사이의 간극에 삽입가능한 빗살을 갖고,
    상기 굽힘 단계는 압출 방향에 교차하는 방향으로 상기 지그를 이동시키는 것을 더 포함하는, 냉각 핀의 제조 방법.
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